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冷干机原理与故障处理

文章出处:葆德科技人气:发表时间:2018-6-4 14:23:53

(一) 冷干机作用  

由空压机出来的压缩空气,首先在换热器中与干燥过的低温压缩空气进行热交换,降低温度,然后进入蒸发器被进一步降温至2℃左右,在此露点,压缩空气中的大部分水已成液态被排出,将含水量极少的压缩空气进入吸附塔内,进一步干燥除水,最后低温的干燥压缩空气进入换热器,冷却高温湿空气,同时本身温度也升高,可防止压缩空气输送管路外壁结露,经升温后的压缩空气中取一小部分用作吸附剂的再生,提高再生效率,降低能耗。 

利用冷媒与压缩空气进行热交换,把压缩空气温度降到2~10℃范围的露点温度,使压缩空气中含水量趋于超饱和的状态,从而除去压缩空气中的水分(水蒸气成分)。 

当压缩空气的压力高、温度低、环境温度低、且处理空气量小时,则可得到低压力露点。 大气压露点只能达到-17℃。

 

(二) 冷干机的组成:

为了实现压缩空气干燥的目的,又体现节能的目标,一台标准的冷干机应包括以下部件,具体为:  

1)冷却降温部分:包括换热器(空气与空气的热交换器)、蒸发器(空气与制冷剂液体的热交换器); 

2)气水分离与排放部分:包括气水分离器、自动排水器;  

3)制冷部分:包括制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、氟路电磁阀、压力开关、压力控制器(水量调节阀)、贮液罐、过滤干燥器、截止阀等;  

4)电气部分:包括启停开关、接触器、继电器、PC电脑板等;  

5)仪表部分:包括进出口空气压力表、制冷剂高、低压力表等。

 

(三) 各主要部件的工作原理及作用

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1、制冷压缩机                
9、能量调节阀          17、排水防堵过滤器

2、冷凝器(水冷)             10、汽化器                    18、冷媒高压表

3、冷凝器(风冷)             11、充灌阀                19、水量调节阀

4、热力膨胀阀            12、冷媒低压表         20、水质过滤器

5、毛细管(10m3以下用)          13、高低压开关         21、手阀

6、干燥过滤器                14、蒸发器总成          22、自动排水器

7、气液混合器                15、空气压力表          23、前置预冷器(高温水冷型冷干机用)

8、分液器                  16、温控数字显示仪(10m3以上用)  24、前置预冷器(高温风冷型冷干机用) 

 

1、换热器:绝大多数冷干机具有换热器,换热器是一种空气与空气进行热交换的换热器,一般为列管式换热器。换热器在冷干机里的主要作用是“回收”被蒸发器冷却后压缩空气所携带的冷量,并用这部分冷量来冷却携带大量水蒸气的较高温度的压缩空气(即从空压机排出,经过空压机自带的后部冷却器冷却、再经过气水分离的温度一般在40℃以上的饱和压缩空气),从而减轻了冷干机制冷系统的热负荷,达到节约能源的目的。另一方面,低温压缩空气在换热器里温度得到回升,使输送压缩空气的管道外壁不致因温度低于环境温度而出现的“结露”现象。此外,压缩空气温度升高后,降低了干燥后压缩空气的相对湿度(一般小于20%),对防止金属的锈蚀有利。有些用户(如与空分设备配套)需要含水量低而且温度也低的压缩空气,这时冷干机就不再设置换热器了。由于不设置换热器,冷空气的冷量得不到回收利用,蒸发器热负荷会增加很多。在这种情况下,不仅需要加大制冷压缩机的功率来进行能量补偿,而且整个制冷系统的其它部件(蒸发器、冷凝器及节流元器件)都需要相应增大。从能量回收角度讲,我们总希望冷干机排气温度越高越好(排气温度高,说明能量回收多),最好进出口没有温差。但实际上是达不到这一点的,在空气进口温度为45℃以下时,冷干机进、出气温相差15℃以上的情况并不鲜见。

2、蒸发器: 

蒸发器是冷干机主要的换热部件。结构与换热器不同,一般冷干机的蒸发器是由壳体和内胆组成,内胆由一簇紫铜管组成。在蒸发器中,从换热器流出的经过预冷却的压缩空气在壳层沿折流板上下流动,制冷剂在管内流动,压缩空气被强制冷却,其中大部分水蒸气凝结成液态水排出机外,从而使压缩空气得到干燥。蒸发器内胆管内液体制冷剂吸取压缩空气的热量后蒸发成蒸汽,这一过程是相变过程,在制冷剂液体相变成气体时,蒸发压力保持不变,蒸发温度在大部分时间里也保持不变(在制冷剂完全蒸发成气体后,在蒸发器末端会过热,膨胀阀就是根据过热度调节供液量的,具体可参阅有关制冷书籍),压缩空气在热交换过程中温度会越来越接近制冷剂的蒸发温度。但由于受到冷干机结构和成本的限制,蒸发器换热面积不可能无限增大,压缩空气与制冷剂之间的传热温差总是存在的。因此压缩空气所能达到的温度(表观露点温度),在任何时候也不可能等于或低于蒸发温度,压缩空气最终被冷却到的温度值取决于多种因素,例如:制冷量、制冷剂的蒸发温度(蒸发压力)、蒸发器的换热面积、压缩空气的流速、热负荷等。在冷干机实际运行中压缩空气的最终冷却温度值蒸发温度高3-5℃是正常的。由于蒸发器的换热介质是热力学性质截然不同的压缩空气与制冷剂,制冷剂的导热系数不空气的导热系数高得多,因此,蒸发器换热效率的高低决定在压缩空气侧。为了尽可能获得较高的传热效率,应加大压缩空气侧的换热面积以抵消其热阻。制冷系统的卧式蒸发器可分“干式蒸发器”和“满液式蒸发器”两种。前者制冷剂在管内蒸发,空气在管外流动。满液式蒸发器中,液体制冷剂在管外蒸发,被冷却的压缩空气在管内流动,制冷剂将换热铜管全部浸没。满液式蒸发器在冷干机中用得较少,原因是:  

1)在水蒸气冷凝成水滴的过程中,首先会在蒸发器内胆铝翅片表面形成一层水膜,卧式安装蒸发器可使水膜成珠状下滴迅速更新换热表面。如果立式安装水滴就会沿换热管表面成帘状流动,帘状流动使水膜变厚影响传热; 

2)冷冻机油易溶于制冷剂,且不易排除,在满液式蒸发器中既影响传热效果又影响回油,严重时导致压缩机缺油运行; 

3)制冷剂充注量大。

3、冷凝器 

在冷干机中冷凝器的作用是将制冷压缩机排出的高压、过热制冷剂蒸汽冷却成为液态制冷剂。 通常冷凝器分为风冷式和水冷式两种。因此冷干机也分为风冷式冷干机和水冷式冷干机两种。 风冷凝器为翅片式结构,与家用空调的室外机类似;水冷凝器为列管式(管壳式)结构。风冷凝器不需要冷却水,适合于供水困难地区或移动性场合应用。但风(空气)冷却效果比水差得多,其体积比同规格的水冷凝器大,所以一般只适用于中、小型冷干机。风冷凝器不适于在气温高或通风不良、多粉尘的环境下使用。 

在冷凝器中,高温、高压的制冷剂蒸汽从冷凝器上部进入冷凝器(风冷凝器走管内,水冷凝器走壳体),与冷却介质进行对流热交换,冷煤气体放出热量后凝结成液体从冷凝器下部流出。

4、制冷压缩机 

制冷压缩机的制冷量与其工况(即蒸发温度、冷凝温度)密切相关。蒸发温度低,压缩机单位制冷量就少;冷凝温度高,压缩机单位制冷量就少。所以试图通过降低冷干机的蒸发温度来降低压缩空气的“压力露点”并不经济的。我们知道气体可以被压缩而液体很难被一般的设备压缩,反而会损坏气体压缩设备。在制冷设备中就有称为“液击”的故障:在冷干机运行时,如果进入蒸发器时的制冷剂液体过多或蒸发压力太低(此时,负荷较低或制冷量过大)而无法完全被压缩空气蒸发,那么未蒸发的制冷剂液体会被吸入压缩机内部。由于制冷剂液体是不可压缩的,在压缩机运转中极易造成阀片被击碎的现象,这就是“液击”。 

为了防止压缩机产生“液击”,在冷干机中一般采取了下列措施: 

a)选用防液击的制冷压缩机; 

b)设置低压储液器,保证只允许气态制冷剂进入压缩机; 

c)设置热气旁路阀。因为制冷压缩机的吸气温度常低于环境温度,所以制冷压缩机上部表面有时会“结露”,这是正常现象;但是如果吸气温度低于0℃时,就会“结霜”,这说明制冷量可能过大,需要对冷干机进行工作点调整。

5、气水分离器和自动排水器 

1) 气水分离器 : 

气水分离器是冷干机的关键部件之一。湿热压缩空气被换热器和蒸发器冷却后,会有大量的凝结水析出,这就需要用高效的手段把压缩空气和凝结液分离,实现真正干燥压缩空气的目的,因此经过气水分离器处理后的压缩空气才具有真正的露点温度。 

压缩空气中采用的气水分离器类型有:  

a)挡板式分离器  

挡板分离器是惯性分离器的一种。这种分离器由多块挡板组成“百叶窗”式结构。档板材料对液态水滴应有良好的浸润作用,液滴在与挡板碰撞后,大部分会附着在在挡板上,并在其表面生成很薄的一层液体后顺着挡板流下来,在挡板边缘集聚成更大颗粒的液滴,液滴在本身重力作用下与空气分离。我公司冷干机的蒸发器就具有挡板分离器的功能(折流板)。 

b)过滤式分离器  

如用过滤器作冷干机的气水分离器,的确可以达到很好的分离效果,因为过滤器对一定粒径水滴的过滤效率可达100%。但实际上却很少有冷干机用过滤器来作气水分离用。这是因为过滤造成的压力损失、维护更换滤芯的成本都比较大,不经济。

c)旋风分离器  

旋风分离器也是一种惯性分离器,较多地用于气固分离,如大气除尘时作为预处理去除空气中的较大颗粒。其原理是压缩空气沿筒壁切线方向进入分离器后,在里面产生旋转,混在气体中的液滴也跟着一起旋转并产生离心力,质量大的液滴所产生的离心力大,在离心力作用下大液滴向外壁移动,碰到外壁(也是挡板)后再集聚长大并与气体分离;而粒径较小的液滴却在气体压力作用下向呈负压状态的中心轴线迁移。这种分离器的缺点是其分离效率在其额定处理量时较高,一但偏离其分离效率就比较差,导致露点上升。 

2)自动排水器 

冷干机工作时会在换热器及蒸发器容器里积聚大量凝结水,如果不及时、彻底排出这些凝结液,冷于机就成了一只贮水器。这会导致: 

①冷干机的排气中大量夹带液态水,使冷干机的工作失去意义;  ②使压缩空气流通面积变小,空气压力降提高.  

内凝结液要吸收部分冷量,使冷干机负荷增加,对节能不利; 

因此,彻底、及时排除冷干机中的凝结水,是冷干机正常运行的重要保证。冷干机常用的自动排水器有四种:   

①浮球式自动排水器:以日本SMC公司的产品最为著名,常用的有AD402型。 

②倒桶式自动排水器

③电磁时间控制排水器:以时间控制电磁阀的开启周期和开启时间,这一类在近几年应用较多。该类排水器排水时有大量的压缩空气排出,而且根据压缩空气中含水多少需要调节排水周期和排水时间。 

④液位控制自动排水器。这一类排水器是最节能的,排水时几乎没有压缩空气排出,但价格较高。 

这里着重介绍浮球式自动排水器的工作原理(其他自动排水器工作原理参见制造商的说明书)当排水器贮水杯内的水位未达到一定高度时,压缩空气的压力将浮球压下关闭排水孔,就不会造成气流泄漏;随着贮水杯内水位升高(此时冷干机内并不积水),在浮力的作用下浮球上升,升到一定高度便打开排水孔,杯内凝结水在气压作用下很快排出机外。凝结水排尽后浮球失去浮力,在其重力和气压作用下关闭排水孔。浮球式自动排水器不仅在冷干机中得到应用,而且可在贮气罐、后冷却器及过滤器等多种气源处理设备上等处广泛应用。在冷干机中自动排水器可以说是最易出故障的一个部件。这是因为冷于机所排出的凝结水井不是清洁水,而是混有固态杂质(灰尘、锈泥等)、油污的稠状液体(自动排水器又叫“自动排污阀”),而几乎所有的自动排水器的排水孔直径都很小,容易被堵塞,因此自动排水器(除电磁式自排水器)进口处装有一只滤网。但使用时间长了,滤网也会被油污杂质堵塞,如果不及时清洗,将使自动排水器失去作用。所以,每隔一定时间清洗排水器里的滤网是很重要的,也是冷干机的日常维护工作的内容之一。因为自动排水器是靠内外压差进行排水的,因此在实际使用时要求有一定压力才能工作,例如常用的AD-402型自动排水器最低工作气压是0.15MPa,压力太低因无法建立密封而出现漏气现象。当然压力不能超过其额定工作压力。在环境温度低于零度时要放尽贮水杯内的凝结水,以防结冰、冻裂。

(四) 为什么冷干机的合理压缩空气露点温度为0℃以上?  

要降低压缩空气温度,势必制冷剂的蒸发温度也降得很低。冷干机在冷却压缩空气时,蒸发器内胆的翅片表面有一层膜状冷凝水存在,如果由于蒸发温度的降低使翅片表面温度在零度以下,其表面冷凝水就可能结冰,这时: 

1)由于蒸发器内胆翅片表面附着一层导热系数小得多的冰,大大降低了换热效率,压缩空气不能充分冷却,同时由于吸收不到足够的热量,制冷剂蒸发温度有进一步降低的可能,如此循环的结果,必将给制冷系统带来许多不良后果(譬如产生“液压缩”); 

 2)由于蒸发器内胆翅片的间距不大,一旦翅片上结冰后会减少压缩空气的流通面积,严重时甚至会使气路堵塞,即“冰堵”; 总上所述,冷干机的压缩露点温度应在0℃以上,为了防止露点温度过低,冷干机里设置了能量旁路保护(由旁通阀或氟路电磁阀来实现)。当露点温度低于0℃时,旁路阀(或氟路电磁阀)自动打开(开度增大),将未经冷凝高温高压制冷剂蒸汽直接注人蒸发器的入口(或压缩机入口的气液分离罐),使露点温度提升到0℃以上。从系统能耗来讲,蒸发温度过低导致压缩机制冷系数大幅下降,能耗增加。

(五) 冷冻式干燥器是如何控制露点温度? 

任何用户的压缩空气负荷总是变化的,因此要求冷干机的制冷量也相应变化以适应压缩空气的负荷变化,从而实现稳定的压力露点。在冷干机中,膨胀阀(或毛细管)、旁通阀(氟路电磁阀)、水量调节阀/压力开关等部件参与了冷干机制冷量的调节。 

1、膨胀阀的节流作用把经过冷凝的制冷剂从常温高压变成低温低压并供给蒸发器,同时通过检测制冷压缩机的吸气过热度控制制冷剂供液量,以达到调节蒸发器的制冷量与压缩空气负荷相适应的目的。 

2、在膨胀阀减少蒸发器供液量以适应压缩空气负荷变化同时,旁通阀也动作——把未经冷凝的制冷剂直接旁通至膨胀阀后或压缩机吸气侧,其作用是: 

1)制冷压缩机在工作时,排气量是不变的,当膨胀阀减少供给蒸发器的制冷剂后有一部分制冷剂停留在制冷系统的高压侧,采取旁通可以使制冷循环的正常进行; 

2)防止压缩空气负荷减少时,蒸发器内结冰(即“冰堵”)现象的产生(由于负荷减少时,蒸发器铜管表面温度可能低于水的冰点,凝结水就会在蒸发器里结冰而阻塞气流通道);

(六) 冷干机故障的原因及排除:

  冷干机本身及外部原因所造成的故障情况主要有以下几个方面:

  1、全部不能运转:

状   态

原    因

故 障 排 除

电源是否

正常供电

保险丝熔断或无熔丝跳脱

确认电源是否有接地现象,并检查熔丝开关是否损坏

断线或虚接

找出断线或虚接处处,加以检修

有  不

电  能

源  起

但  动

电源开关不良

换新

电压异常

请对照铭牌上额定电压指示,允许范围:额定电压±10%

热保护器故障

调整设定值或换新

启动按钮故障

换新

电源相序不对

调整电源相序

接触器故障

检修或换新

压缩机不良

换新

开关全部正常

但不能启动

压缩机不良

换新

电线松动

找出电线未锁紧处,上紧

  

2、启动后不良:

状   态

原    因

故 障 排 除

电压异常

起动后不久,电线短路,产生烧焦味

线路及开关重新配置,找出电压异常原因

 

 

 

连续起动

每次起动须隔3min以上

压缩机过负荷

干燥机过负荷,减少空气处理量

干燥机入口温度过高

增设冷却器或加大马力改善通风

热保护器设定值太低

调整设定值

电源接触不良

清理或换新

接点不良

清理或换新

压缩机抱轴

更换

冷媒高压报警

进气温度过度高

降低进气温度

冷却水温过高(>32℃)

降低水温

冷却水进出水阀门开启太小

开大阀门

无冷却水或流量过小

通水或加大水流量

进水水质过滤器堵塞

清洗水质过滤器芯

冷媒高压报警

冷凝器水侧结垢

清洗或更换

环境温度过高(风冷型)

加强室内通风

冷凝散热片结灰太多(风冷型)

清理散热片

冷媒低压报警

负荷过小

调节补偿


冷却水流量过大

关小冷却水出口阀门


水温过低

关小冷却水出口阀门


制冷剂泄漏

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环境温度过低(风冷型)

提高环境温度

  3、自动排水系统不良:

状   态

原    因

故 障 排 除

排水不良

使用压力在0.15MPa以下

自动排水器最低使用压力0.15Mpa

空气过滤器内置自动排水器阻塞

清洗或换新

制冷效果不佳

检修制冷系统

空气过滤器倾斜或滤芯阻塞

校正固定、清洗或换新

 

 4、运转正常,但效果不佳:

状   态

原    因

故 障 排 除

蒸发器出口温度过低

冷媒低压过低

调整热气旁通阀

制冷剂充注量过多

放制冷制

空气入口温度低或负荷小

调整热气旁通阀补偿

蒸发器出口温度过高

入口温度过高

改善空压机排气温度

冷凝器换热不佳

清洗

空气处理量过大

控制排气量

热气旁通开启过大

调整

汽化器或吸气过滤器堵塞

换新

干燥过滤器堵塞

换新

蒸发器内漏

检修或换新

制冷剂不足或泄漏

加制冷剂或检修

膨胀阀损坏

换新

 

  5、冷干机除水情况不良:

状   态

原    因

故 障 排 除

配管系统

  

旁路阀门未全闭

关紧旁路阀

空气没有通过干燥机

关紧旁路阀、打开干燥机进出口阀门

干燥机未放平

置平

自动排水器倾斜

置平

空气流量太大

热负荷过高

空气源重新设计

排水系统异常

排水器不良

清洗或换新

蒸发器出口

温度异常

露点温度太低或太高

调整热气旁通阀

环境温度过高

没关系,可让干燥机继续使用

入口温度过高

增设后部冷却器或改善入口空气温度

制冷剂漏,制冷效果差

补漏,加灌制冷剂

 

 

  6、压力降太大:

状   态

原    因

故 障 排 除

配管系统

  

管路阀门未全开

将阀门关闭

管径太小

管径加大

管路太长,弯头、接头太多

管路系统重新设计

管路中的过滤器阻塞

更换滤芯

管路连接处漏气太多

检查弯头接头

空气处理量

超过额定值

超过冷干机额定流量,压力自然降低

1、 更换容量较大的冷干机

2、减低空气流量

蒸发器内凝结水冻结

蒸发温度过低

调整冷媒低压压力

 


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